物料的干燥(zào)对于每一个塑料加工商来说都是不可避免(miǎn)的。同时,为了(le)生产出高质量的产品,这一过程也是非常重要的。选择(zé)合理的干燥技术有(yǒu)助于节约成本、降低能(néng)耗,而(ér)对干燥技术和(hé)成本的正确评估对于选择合适的干燥设(shè)备具有重要的意义。
水含量的增加会逐渐降低物(wù)料的剪切(qiē)黏度。在加工过程中(zhōng),由于熔体流动性能的变化,产品的质量以及一系列的加(jiā)工工艺参数(shù)也会随之发生相应的变化。例如,停滞(zhì)时间过长会使残余水分含量太低从而造成黏度的增加,这将导致填模不充分,同时(shí)也会造成物料发黄。另外,某些性(xìng)能(néng)的变化并不能直接用肉眼观察到,而只有通过对材料进行相关的测试才能发(fā)现,如(rú)机(jī)械性能和介(jiè)电强度的改变。
在选(xuǎn)择(zé)干燥过程时,鉴别材料的干燥性能具有至关重要的意义。物料可以分成吸湿(shī)性和非(fēi)吸湿性两种。吸湿性物料(liào)能(néng)够从周围环境吸收水分,非吸湿性材(cái)料不能从环境中吸收水分。对于非吸湿性物料,任何(hé)环境中存在的水分(fèn)都保(bǎo)留在(zài)表面,成为(wéi)“表面(miàn)水分”而易于被清除。不过(guò)由非吸湿性物料制成的胶粒也可能因为添加剂或填料(liào)的作用而变得具有吸(xī)湿(shī)性。
另(lìng)外,对一个干燥工艺过程的能耗的计算,可能会与加工作业的复杂程度(dù)以及其他因素有关,所以这里所介绍(shào)的数值仅供参考。
对流式干燥
对于非吸湿性物料,可以使用热风干燥机(jī)进行干燥。因为水分只是被物料与水的界面张力松散地约束,易于去除。此类机器的原理是,利用风扇来(lái)吸收(shōu)环境中的(de)空气(qì)并将其加热到干燥特定物料(liào)所要求的(de)温(wēn)度,被加热后的空气(qì)经过干燥料斗,并通过对流的(de)方式(shì)加热物料以(yǐ)除(chú)去水分。
对吸湿性物料的(de)干燥一(yī)般分为三个干(gàn)燥段:第一(yī)个干燥段是将物料表面的水分蒸发掉;第二个干燥段则将蒸发的重点放在材(cái)料内(nèi)部,此时干燥速度(dù)缓慢降低,而被干燥物料的温度开始上升;在后一个阶段,物料达到与(yǔ)干(gàn)燥气体的吸湿平衡。在这个阶段,内部和外部间的温度(dù)差別将被消除。在第三段末端(duān),如果被干燥物料不(bú)再释放出水分,这并不意味着它不含水分,而只是表明胶(jiāo)粒(lì)和周围环境(jìng)之间已经(jīng)建(jiàn)立起了平衡。
在干燥设备(bèi)中(zhōng),空(kōng)气(qì)的露点温度是一个非常重要的参数。所谓的露点温度就是在保(bǎo)持湿空气的含湿量不变的(de)情况下,使其温度下降,当相(xiàng)对湿度达到100%时所对应的温度。它表示空气(qì)达到水分凝结时所(suǒ)对应的温度(dù)。通常,用于干燥的空气的露点愈低(dī),所获得残余水量就愈低,干燥速(sù)度也愈低。
目前,生产干燥空气(qì)普遍的方法是利用干燥(zào)气体发生器。该设备以由两个分子筛组成(chéng)的(de)吸附性干燥器为(wéi)核心,空气(qì)中的水分在这里被吸收。在干燥状态(tài)下(xià),空气流经分子筛,分子筛吸收气体中的水(shuǐ)分,为干燥提供除湿气体。在再生状(zhuàng)态下,分子筛被热空气加热至再生温度。流经分子筛的气体收集(jí)被除去(qù)的水分(fèn),并将其(qí)带至周围环境中。另一种生成干燥气体(tǐ)的(de)方法是降低压(yā)缩(suō)气体的压力。这种方法的好处是供应网络中的压(yā)缩气体有着较低的压(yā)力露点。在压力降低以后,其(qí)露点达到0℃左右。如果(guǒ)需要更低的露点,可以利用膜式或吸附(fù)式干燥器在压缩空(kōng)气压力降低之前进一步降低空气的露点。 ( 闪蒸干燥机)
在除湿空气干燥中,生产干燥气(qì)体所需的能量必须进行额外计算。在吸(xī)附式干燥中,再(zài)生状态的分子筛必(bì)须从干燥(zào)态(tài)的温度(约60℃)被加热至再(zài)生温度(dù)(约200℃)。为此,通常的做法是通过分子筛将被加热(rè)气体(tǐ)连续加(jiā)热至(zhì)再生温度,直至它在离开分子筛(shāi)时达到(dào)特定温(wēn)度。理论(lùn)上再生所必要的能量由加热分子筛及其内部吸附的水所需要的能量、克服分子筛对水的附着力所需要的(de)能量、蒸发水分和水蒸汽升温所必需的能量几个部分组成。
一般,吸附所得露点与分子筛的温(wēn)度与水分携带(dài)量有关。通常,小于(yú)或等于30℃的露点可以使分子筛达到10%的水分携(xié)带量(liàng)。为了制备干(gàn)燥气体,由能量计算所得的理(lǐ)论能量需求值是0.004kWh/m3。但是,实际中(zhōng)这个数值必须稍高,因为计算没有把(bǎ)风扇或热量损失考(kǎo)虑在(zài)内。通过对比,不同类型的干燥气体发(fā)生器的特定能耗就可以被(bèi)确定。一般来说,除湿气(qì)体干燥(zào)的能耗在0.04kWh/kg~0.12kWh/kg之间,这要根据物料和初始水分含量而变化(huà)。在实际操作中,也(yě)可能达到0.25kWh/kg或更高。
干燥胶(jiāo)粒所需的能量由两部分组成,一部分是将物料由室温加热至干燥温度(dù)所(suǒ)需要的能(néng)量,另一部分是蒸发水分所需(xū)要的能量。在确定物料所需的气体量时,通常是以干燥气体进(jìn)入或离开干燥料斗(dòu)时的温度为基础。一定温度的干燥空(kōng)气通过对流的方式将热量输送至胶粒中(zhōng)也是一种对流干燥过程。
在实际生(shēng)产中,实际能耗值有时要比理论值高得多。例(lì)如,物料可能在干燥料斗中的停留时间过长,完成干燥所消耗的(de)气体量较大(dà),或者分(fèn)子筛的吸附能力未充分发挥等。?减(jiǎn)少干燥气体的需求量从而削减能源成本的可行方(fāng)法是采(cǎi)用两步(bù)法干燥料斗。在这种干燥设备中,干燥料斗上半部的物(wù)料只是被加热而并未被干燥,所以可(kě)以用环境中空气或干燥过(guò)程的排气来(lái)完(wán)成加热。采用(yòng)这种方法后,往往只需要(yào)向干燥料斗中供应通常(cháng)干燥气体量的(de)1/4?1/3,从而降低了能源(yuán)成本。提高除湿(shī)气体干燥效率的另一种方法是通过热电偶和露点受控的再生,而德(dé)国Motan公司则利用天然气作为燃料来降低能源成本。
真空干燥
目前,真空(kōng)干燥也进入到塑料加工领域当中,例如美国Maguire公司开发(fā)出来的真空干燥设备就已被(bèi)应用到塑料加工之中。这种连续操作型的机器由(yóu)安装于旋转传送(sòng)带(dài)上的三个腔体组成。在(zài)第一腔(qiāng)体处,当(dāng)胶粒被填满后,通入被(bèi)加热至(zhì)干燥温度的气(qì)体以加热胶粒。在气体出口处,当(dāng)物料(liào)达到干燥温度时即被移至(zhì)抽成真(zhēn)空的第二腔体中。由于真空(kōng)降低了水的沸点,所以水分更容易变成水蒸(zhēng)汽被蒸发出来,因此,水分扩散过(guò)程被加速了。由(yóu)于真空的存在,从而(ér)在胶粒内(nèi)部(bù)与周围空气之间产生了更大的压力差。一般情况下,物(wù)料在第二腔体中的停留(liú)时间为20min?40min,而对于一些(xiē)吸湿性较强的物料而言,需要停留60min。物料被送到第三腔体,并由此被移出干燥(zào)器。(闪蒸干燥机)
在除(chú)湿气体干燥和真空干燥中,加热塑料所消耗的能源是相同的,因为这两种方法是在同样的温度下进行。但是在真空干(gàn)燥中,气体干燥本身并不需要消耗能源,但需要用能源来创造真空,创(chuàng)造真空所需的能耗与所(suǒ)干燥物料(liào)的量以及含水量有关。
红外(wài)线干燥
干燥胶粒(lì)的另一种方法是红外线(xiàn)干燥工艺。在对流加热中,气体与胶粒之间、胶粒与胶粒之间以及胶粒内部的热导率都很低,因此热量的传导受(shòu)到极(jí)大的限制。而采用(yòng)红外(wài)线干燥时,由于分子受到红外线辐照,所吸收(shōu)的能量将直接转换成热振动,这(zhè)意(yì)味着物料的加热比在对流干(gàn)燥中更快。与对流加热相比,在干燥过程中,除了环境空(kōng)气和胶粒中水分的局部压力差(chà)以外,红外线干燥还有(yǒu)一个逆向的温度梯度。通常,干燥气体和受热微粒之(zhī)间的温度(dù)差愈大,干燥过程就愈(yù)快。红外线干燥(zào)时间通常在5min~15min。目(mù)前,红外(wài)线干燥过程已经被设计为转管模(mó)式,即顺着一只内壁有螺纹的转管,胶粒被(bèi)输送和(hé)循环,在转管的中心段有数个红外线加热器(qì)。在红外(wài)线干燥中,设备的功率可以参照0.035kWh/kg?0.105kWh/kg的标准进行选择。
如前(qián)所述,物料含水量的(de)不同将会导致工艺参(cān)数的差別。一般,残余水分含量的不(bú)同可能是因为不同物料的流通速率不同,所以干燥过程的(de)中断或机器的启动(dòng)、停机都(dōu)会引起停留时间的不同。在气体流量固定的情况下,材料流通量(liàng)的不同一般表现为温度(dù)曲线的变化和排气温度(dù)的变化(huà)。干燥(zào)机制造商们以不同方法进行测量,并将干(gàn)燥气体流(liú)量与被干燥物料的量相匹配,进而调整干燥料斗的温度曲线,从而使胶粒在干(gàn)燥(zào)温度下经历稳定的停(tíng)留时间。
另外,物料(liào)不同(tóng)的初始水分(fèn)含量也会导致残余水分含量的不稳定。因为停留时间是固定的,初始水分含量的明显变化必(bì)将导致残余水分含量发生(shēng)同样明显的变化。如果(guǒ)需要稳定的(de)残余水分含量,就需(xū)要测量初始或残余的水分含量。由于相关的残余水分含量低(dī),在(zài)线测量不易进行,而且物料在(zài)干燥(zào)系统中的停留时间较长,把残(cán)余水分含(hán)量当作输出信号会引起系统受控的(de)问题,所以干燥机制造商们开发出来一种新(xīn)的控制概念,能实现稳定的残(cán)余(yú)水分(fèn)含量这一目标(biāo)。这种控制(zhì)概念以保持残余水含(hán)分量的稳定为目的,将塑料的初始水分量、进(jìn)入和流出气体的露点、气体流动量(liàng)和胶(jiāo)粒流通(tōng)率等(děng)工艺参数作为输入变量,从而使干燥(zào)系统能够根据这(zhè)些变量的(de)不同进行及(jí)时调整,以保持稳定的残余水分含量。
红外线干燥和真空干燥是塑料加工中的新技术,这些新(xīn)技(jì)术的应用极大(dà)地缩短(duǎn)了物料的停留时间并降低了(le)能源消耗。但是,创新(xīn)的(de)干燥工艺其价格也相对较高。因此,近些年来,人们也在努力地提高(gāo)传统除湿气体干燥的效率。所以(yǐ),在做出投资决策时,应当进行^的成(chéng)本评估,不仅要考虑(lǜ)采购成本,还要考虑管路、能源、空间和维修保养等,以使小的(de)投资得到大的回报(bào)。